ПОДЛОЖКА МИКРОСХЕМЫ Российский патент 1994 года по МПК H05K3/44 H05K1/03 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии изготовления гибридных интегральных микросхем (ГИМС).

Известна подложка ГИМС, представляющая собой алюминиевое основание, покрытое с двух сторон слоем пористого оксида Al₂O_3, полученного анодированием алюминиевой заготовки в щавелевокислом электролите ("Техника средств связи", сер. ТПО, в. 1, 1985, с. 97-98).

Наличие слоя оксида Al₂O₃ с двух сторон алюминиевого основания позволяет обеспечить необходимую плоскостность подложки (возникающие из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) Al и Al₂O₃ внутренние напряжения на одной стороне подложки почти полностью компенсируются внутренними напряжениями противоположного знака, возникающими на другой стороне), однако сужает эксплуатационные возможности подложки.

Наиболее близким техническим решением является подложка ГИМС, представляющая собой алюминиевую заготовку, покрытую пористым оксидом Al₂O₃ с одной стороны (авт. св. СССР N 1817658, кл. H 05 K 3/44, 1990).

Данная конструкция позволяет расширить эксплуатационные возможности подложки (улучшить теплоотвод от микросхемы, смонтированной на лицевой стороне подложки, нанести другое изоляционное покрытие на обратную сторону и т. д. ) и повысить в два раза производительность процесса анодирования алюминиевых заготовок.

Вместе с тем возникающие при проведении термоудара из-за разности ТКЛР Al иAl₂O₃ внутренние напряжения на анодированой стороне приводят к искривлению поверхности подложки и появлению трещин в пористом оксиде.

Целью изобретения является обеспечение необходимой плоскостности подложки, уменьшение вероятности образования трещин в пористом оксиде, что, в свою очередь, приводит к повышению коэффициента выхода годных (КВГ) подложек.

Цель достигается тем, что на экранной стороне подложки по ее периметру сформирован элемент жесткости в виде рамки из пористого оксида Al₂O₃, ширина которой по периметру подложки определяется заданной стрелой прогиба и связана с ней по формуле
Δ = β (l - 2b)², где Δ - задаваемая стрела прогиба;
β - коэффициент, определяемый термомеханическими свойствами Al и Al₂O₃ и зависящий от толщины подложки и покрытия;
l - максимальный линейный размер подложки;
b - ширина рамки по периметру подложки.

Наличие новых по сравнению с прототипом признаков доказывает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Известен способ снятия внутренних напряжений в алюминиевых анодированных подложках (ААП) для ГИМС ("Электронная техника", сер. МЭУ, в. 5, 1981, с. 26-27), при котором ААП с изолирующим покрытием пористого оксида Al₂O₃ на одной стороне зажимается между двумя пластинами из нержавеющей стали и вся система подвергается термоудару при Т = 573^оК.

Пластины, прилегающие к плоскостям подложки, выполняют функцию элементов жесткости. Но авторами предложена другая конструкция элемента жесткости, который выполнен на обратной стороне подложки из материала основания в теле основания (пористый оксид Al₂O₃) и расположен по периметру подложки в виде рамки определенной ширины.

Известна зависимость критической стрелы прогиба ААП (A_кр) от критического приращения температуры ( Δ Т_кр) в процессе образования трещин в пористом оксидном слое Al₂O₃ ("Электронная техника", сер. МЭУ, в. 5, 1981, с. 26).

Из уравнения можно определить, что стрела прогиба ААП прямо пропорциональна квадрату максимального линейного размера подложки ( Δ ≈ l²). В предложенном решении представлена зависимость стрелы прогиба ААП от максимального линейного размера подложки при наличии элемента жесткости на обратной стороне по периметру подложки в виде рамки [ Δ≈ (l - 2b)²] .

Из вышеизложенного следует, что авторам не известны технические решения, в которых содержится совокупность отличительных признаков предлагаемой подложки, а также не известно, что именно эта совокупность отличительных признаков приводит к данному техническому результату, что доказывает соответствие заявляемого технического решения критерию "Изобретательский уровень".

Технический результат достигается за счет того, что, наличие элемента жесткости на экранной стороне ААП по ее периметру из пористого оксида Al₂O₃ позволяет частично компенсировать возникающие из-за разности ТКЛР Al и Al₂O₃ внутренние напряжения на лицевой стороне и тем самым снизить обусловленную свободным растяжением межатомных связей вероятность образования трещин в оксидном покрытии и величину остаточной стрелы прогиба подложки по сравнению с прототипом.

Вариант элемента жесткости с пластинами из нержавеющей стали позволяет лишь уменьшить вероятность образования трещин в оксидном покрытии, так как препятствует свободному растяжению межатомных связей при проведении термоудара, но компенсации внутренних напряжений, возникающих в подложке из-за разности ТКЛР Al и Al₂O₃, не происходит и ее остаточная стрела прогиба такая же, как и в случае прототипа. Элемент жесткости в предлагаемом решении выполняется в виде сплошной рамки по периметру экранной стороны подложки, ширина которой выбирается из соотношения: Δ = β (l - 2b)².

При этом минимальная ширина рамки составляет 1 мм, что определяется технологическими возможностями метода пористого анодирования Al в водных растворах электролитов.

Максимальная ширина рамки определяется задаваемой стрелой прогиба подложки и ее эксплуатационными задачами (обеспечением необходимой площади теплоотвода от схемы, сформированной на лицевой стороне подложки; габаритными размерами схемы, формируемой на экранной стороне подложки внутри рамки; площадью контакта, с помощью которого осуществляется внутреннее охлаждение алюминиевой заготовки при толстослойном анодировании и т. д. ).

Конструкция предлагаемого решения приведена на фиг. 1, где 1 - алюминиевое основание, 2 - изолирующий слой, 3 - рамка жесткости; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

Предлагаемая подложка ГИМС изготавливалась из сплава АМГ-3м толщиной 1,5 мм. Рубкой на гильотине получали заготовки размером 60 x 48 мм. Заготовки терморихтовали под давлением 2 ˙10⁵ кг/м² при температуре 450^оС в течение 1 ч. Экранную сторону заготовки частично маскировали поливинилхлоридной пленкой с клеящим составом. Проводили пористое анодирование заготовки в 5% -ной щавелевой кислоте при температуре 20 ± 2^оС, плотности тока 2А/дм² в течение 2 ч. Получали анодное покрытие толщиной 55-60 мм. Снимали защитную маску и проводили упрочняющий термоотжиг подложки при температуре 400 ±10^оС в течение 1 ч. В результате получали подложку ГИМС, представляющую собой алюминиевое основание 1, покрытое полностью с лицевой стороны пористым оксидом Al₂O₃2, а с экранной стороны только по периметру подложки в виде рамки 3 определенной ширины.

Было проведено сравнение экспериментально и теоретически рассчитанных величин стрелы прогиба подложек с односторонним оксидным покрытием (прототип) и подложек с элементом жесткости на обратной стороне по ее периметру в виде рамки определенной ширины (предлагаемое решение).

Экспериментальным путем величина стрелы прогиба определялась с помощью микрометра вычитанием из суммарной толщины исследуемой и ровной (с двух сторон анодированной, с толщиной анодного покрытия 55-60 мкм и Δ = 0) подложек удвоенной толщины ровной подложки. Теоретически величина стрелы прогиба оценивалась, используя подход развитый в (Боли Б. , Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений, М. : Мир, 1964, с. 369-370) по формуле, приведенной в ("Электронная техника", сер, МЭУ, в. 5, 1981, с. 26) для определения критической стрелы прогиба подложки ( Δ _кр) зависимости от приращения критического температуры ( Δ Т_кр) в процессе образования трещин в анодном покрытии.

Из формулы видно, что величина стрелы прогиба подложки прямо пропорциональна квадрату максимального линейного размера подложки.

Обозначали стрелу прогиба подложки-прототипа - Δ _теор, подложки предлагаемого решения - Δ '_теор.

Тогда Δ _теор. = β l², Δ '_теор = β(l - 2b)²,
= β′(l-2b)²; β , β ′ - коэффициенты, определяемые термомеханическими свойствами Al и Al₂O₃ и зависящие от толщины подложки h₂ и анодного покрытия h₁.

Экспериментальные и теоретические данные приведены в таблице.

Сравнение отношений = · с _с показывает, что они близки по значениям для соответствующих случаев, что подтверждает правомерность теоретической оценки экспериментальных данных о величине стрелы прогиба ААП с помощью вышеприведенной зависимости Δ _кр от Δ Т_кр в процессе образования трещин в оксидном слое Al₂O₃ и справедливость выведенной зависимости: Δ' = β '(l - 2b)².

Использование изобретения позволит обеспечить необходимую плоскостность ААП и снизить вероятность растрескивания пористого оксидного покрытия Al₂O₃ в ходе различных термообработок при изготовлении микросхем на них.

Использование: технология изготовления гибридных интегральных микросхем в микроэлектронике. Сущность изобретения: на экранной стороне основания по его периметру сформирован элемент жесткости в виде рамки из пористого оксида алюминия, ширина которой определяется заданной стрелой прогиба Δ и связана с ней по формуле Δ=β(l-2b)², где β - коэффициент, определяемый термомеханическими свойствами алюминия и оксида алюминия и зависящий от толщины основания и слоя оксида алюминия; l - максимальный линейный размер основания; b - ширина рамки. Изобретение обеспечивает необходимую плоскостность подложки и снижает вероятность образования в ней трещин. 2 ил. , 1 табл.

ПОДЛОЖКА МИКРОСХЕМЫ, содержащая алюминиевое основание с изолирующим слоем из пористого оксида алюминия, расположенным на лицевой стороне основания, отличающееся тем, что на экранной стороне основания по его периметру сформирован элемент жесткости в виде рамки из пористого оксида алюминия, причем ширина рамки определяется заданной стрелой прогиба подложки Δ и связана с ней соотношением
Δ= β(l-2b)² , мм,
где β - коэффициент, зависящий от термомеханических свойств алюминия и оксида алюминия, от толщины основания и слоя оксида алюминия;
l - максимальный линейный размер основания;
b - ширина рамки.